SYSTÉMES DE CALODUCS

Un caloduc est un conducteur thermique biphasé sous la forme d’un corps métallique tubulaire hermétiquement fermé qui conduit la chaleur sur de longues distances avec peu de pertes. Les longs tubes métalliques sont surtout connus des refroidisseurs de processeurs, où ils transportent la chaleur de la plaque de base aux ailettes d’un dissipateur thermique. Cela se fait en absorbant la chaleur à une extrémité du caloduc (évaporateur) et en la restituant à l’environnement à l’autre extrémité (condenseur). La chaleur latente est utilisée pour le transport dans la partie quasi-adiabatique, c’est-à-dire l’évaporation ou la recondensation. Un vide à l’intérieur du tube abaisse la température d’évaporation.

Fonctionnement du caloduc :

1 Évaporation du fluide de travail tout en absorbant l’énergie thermique.
2 Transport de la vapeur dans le tube jusqu’à l’extrémité du refroidisseur
3 Condensation de la vapeur, absorption par la mèche et libération de l’énergie thermique.
4 Retour du fluide de travail vers l’extrémité chaude.

Un caloduc se compose de trois éléments : Un tube à paroi mince, une mèche et une chambre à vapeur. Il est rempli d’un fluide de travail – liquide ou gazeux, en fonction de la plage de température de travail. Si le caloduc se réchauffe à une extrémité, la partie liquide du fluide de travail s’évapore. Cela crée un gradient de pression qui transporte la vapeur vers l’autre extrémité – froide – du caloduc. Là, il se condense et libère la chaleur de l’intérieur vers le mur. De là, la chaleur est libérée dans un dissipateur thermique ou dans l’environnement. Le fluide de travail est à nouveau liquide et retourne à l’extrémité chaude du caloduc par gravité et forces capillaires. Là, le cycle recommence.

Comme la phase vapeur et la phase liquide du fluide de travail se trouvent toutes deux à l’intérieur du caloduc et donc dans le volume fermé, une région de vapeur humide est créée. Les différences de température le long du caloduc sont donc très faibles (quasi isothermes), de sorte que la résistance thermique (delta T) est faible. Un caloduc peut donc transporter la chaleur sur de longues distances avec très peu de pertes. Le caloduc lui-même est généralement fabriqué dans un matériau qui conduit bien la chaleur, comme le cuivre de haute pureté. Cependant, l’enroulement et le fluide de travail sont déterminants pour le fonctionnement du caloduc et seront abordés plus en détail ci-dessous.

Comme décrit ci-dessus, à l’intérieur d’un caloduc il y a d’une part la mèche, et d’autre part le fluide de travail, dont l’évaporation est ce qui fait fonctionner le caloduc. Ces deux éléments sont déterminants pour les performances du caloduc : La mèche conductrice de chaleur sert à générer des forces capillaires. Elles sont nécessaires pour que le fluide de travail soit renvoyé à l’extrémité chauffante du caloduc après condensation. La position du caloduc en fonctionnement influence le type et la conception de la structure interne du caloduc. Dans le cas des caloducs fonctionnant contre la gravité, l’enveloppe est généralement constituée de particules de cuivre fritté ou d’une maille de cuivre à mailles fines. En général, plus la structure est fine, plus les forces capillaires doivent être importantes. Pour les caloducs horizontaux, de simples rainures longitudinales (groo-ves) conviennent également.Le fluide de travail utilisé est essentiel pour le fonctionnement des caloducs. Il doit avoir une tension superficielle et une enthalpie d’évaporation élevées, mais en même temps une viscosité aussi faible que possible. Chez HALA, nous travaillons habituellement avec des caloducs utilisant l’eau comme milieu de travail, dont l’enthalpie d’évaporation est très élevée, soit 40,66 kJ/mol. Pour les applications à basse température, on utilise l’ammoniac, qui a une enthalpie de vaporisation très élevée de 23,35 kJ/mol.

En plus des caloducs tubulaires, il existe des caloducs plats appelés chambres à vapeur (CV). Contrairement aux caloducs tubulaires, les chambres à vapeur plates ne sont pas utilisées comme transporteurs de chaleur, mais comme diffuseurs de chaleur.

Une chambre à vapeur fonctionne selon le même principe qu’un caloduc, mais sous une forme plate. Il ne s’agit pas d’un composant tubulaire, mais d’un composant plat qui dissipe également la chaleur par évaporation. C’est pourquoi on l’appelle souvent un caloduc plat. Cependant, les chambres de vapeur peuvent également être construites à partir de deux demi-coquilles de cuivre, qui sont étroitement reliées et à l’intérieur desquelles se trouvent des structures frittées et des structures de base.Étant donné que les chambres de vapeur ont une très grande surface de contact, on les appelle des diffuseurs de chaleur. Les chambres à vapeur sont utilisées, par exemple, dans les ordinateurs portables pour répartir la chaleur résiduelle, qui est générée sous forme de point chaud thermique dans une petite puce, de manière uniforme sur un dissipateur thermique de grande surface.

Le fonctionnement de la chambre à vapeur ne diffère que très peu de celui d’un caloduc tubulaire classique. La principale différence est la plus grande surface de contact, qui permet au VC d’avoir plus de points de contact directs avec les sources de chaleur de type point chaud. Cela signifie que la chaleur générée à des points spécifiques peut être répartie de manière homogène sur une plus grande surface, et le dissipateur thermique est également relié par un nombre beaucoup plus important de points de contact. Les chambres à vapeur sont populaires pour des applications telles que les ordinateurs portables. Pendant des années, cependant, les caloducs classiques ont été utilisés pour des raisons de coût. La question de savoir si une chambre à vapeur ou un caloduc « classique » est mieux adapté dépend non seulement de l’application, mais aussi du support requis. Une solution intermédiaire consiste en plusieurs caloducs encastrés dans une plaque métallique en aluminium ou en cuivre, qui forment avec le métal une surface de diffusion de la chaleur.

Le principe d’un caloduc a déjà été expliqué plus haut : c’est un conducteur de chaleur fermé, très rapide qui peut conduire la chaleur sur de longues distances avec très peu de pertes. Pour que cela fonctionne, il faut s’assurer qu’il y a un dissipateur thermique efficace à une extrémité du caloduc. Il s’agit généralement d’un dispositif de refroidissement sous la forme d’un dissipateur thermique sans ou activement avec un ventilateur ou un système de refroidissement par eau, qui est relié à la source de chaleur par le caloduc.En termes simples, les caloducs sont des dissipateurs thermiques couplés comme un petit système de gestion de la chaleur autonome, qui, dans la pratique, est complété par d’autres composants de gestion de la chaleur pour obtenir une connexion optimale.

Où sont utilisés les dissipateurs thermiques avec caloducs ?

Grâce à une variété de conceptions, les caloducs sont largement utilisés dans de nombreuses industries :
– Automobile (par exemple, les phares à LED, le groupe motopropulseur, les batteries de véhicules électriques, l’infodivertissement, l’e-mobilité)
– Industrie (par exemple, les ordinateurs portables industriels, les ordinateurs et processeurs haute performance, les serveurs, les cartes graphiques, les jeux, les produits IoT, les systèmes de caméras, les LED haute puissance).
– Alimentation électrique (par exemple, convertisseurs de tension, alimentations)
– Électronique grand public
– Défense, armement et aérospatiale

La principale raison de l’utilisation généralisée des caloducs est leur possibilité de variation : Les caloducs tubulaires classiques, par exemple, peuvent être pliés de manière à ce que les coins et les bords ne posent aucun problème. Ils peuvent également être fabriqués avec une section transversale angulaire ou aplatie et donc être utilisés comme dissipateurs thermiques à contact direct. S’ils sont fabriqués dans des dimensions particulièrement réduites pour des applications de petite taille telles que les smartphones, les consoles portables, les conditions d’utilisation à distance ou les banques d’alimentation, on les appelle des nanotubes thermiques. Toutefois, pour ces applications, on utilise de plus en plus des chambres à vapeur très fines, d’une épaisseur inférieure à 0,5 mm. Dans les systèmes plus complexes, les chambres à vapeur et les caloducs peuvent également être combinés en tant que solutions hybrides afin de décentraliser le refroidissement. Les caloducs cylindriques, appelés colonnes thermiques à remplissage fritté, constituent un modèle particulier. Leur diamètre est si grand que la chaleur peut être introduite directement dans la base et que le dissipateur thermique est relié autour du cylindre sous la forme d’une pile d’ailettes ou d’un composant extrudé. En raison de leur grand volume, les pertes de puissance dépassent largement les 100 watts. Un cas particulier sont les caloducs haute température, qui transmettent la chaleur jusqu’à 850 ° Celsius. Ils sont utilisés, par exemple, dans les installations de gazéification de la biomasse ou de moulage par injection. Le sodium est généralement utilisé comme milieu de travail ici.

Tout d’abord, un caloduc n’est pas, à proprement parler, un système de refroidissement. Un caloduc fait partie d’un système de refroidissement si l’on s’assure qu’il y a un dissipateur thermique à une extrémité du caloduc vers lequel la chaleur transportée peut être transférée. Si ce n’est pas le cas, le tuyau se réchauffe simplement et la chaleur n’est pas conduite – après tout, elle ne peut pas être libérée. Le caloduc ne fonctionne donc que s’il est installé correctement et constitue au mieux une partie d’un système de refroidissement, mais n’est pas un système en soi.

Un système de refroidissement – ou système de gestion de la chaleur, comme nous l’appelons chez HALA – est un système conçu pour empêcher la surchauffe d’applications qui fonctionnent habituellement de manière électronique et/ou mécanique. À cette fin, la chaleur perdue est détournée du point d’origine, par exemple au moyen de caloducs, et acheminée vers un dissipateur thermique. De cette manière, le composant de puissance reste à la température de fonctionnement et peut fonctionner de manière optimale. Lors de l’utilisation de caloducs, il faut noter qu’il s’agit de systèmes fermés. Il est donc essentiel de respecter la plage de température spécifiée, sinon le caloduc risque de se déformer en raison de la pression interne élevée. En raison de leur forme, les caloducs ronds sont moins sensibles à la température (jusqu’à plus de 200 °C) que les caloducs plats non renforcés ou les chambres à vapeur (jusqu’à 110 °C selon la géométrie). Pour que le caloduc puisse développer son effet, il doit s’adapter aux conditions de l’application concernée. En plus des caloducs, il faut utiliser dans les systèmes de refroidissement des matériaux de remplissage des interstices ou des feuilles conductrices de chaleur, des coussinets thermoconducteurs ou des matériaux à changement de phase afin de conduire la perte de chaleur dans l’évaporateur – la transition la plus critique – et hors du condenseur de la meilleure façon possible. Le meilleur choix pour l’application dépend dans chaque cas d’un certain nombre de facteurs, que nous énumérons ci-dessous.

Si vous souhaitez acheter des caloducs, vous trouverez en ligne un grand choix de modèles différents : Les plus connus sont probablement les caloducs tubulaires à section ronde. HALA propose des conceptions individuelles d’ensembles de caloducs avec des caloducs tubulaires à section angulaire ou aplatie, ainsi que des caloducs plats (chambres à vapeur, VC) ou des cols thermiques. Pour trouver le bon caloduc pour votre application, vous devez prendre en compte les facteurs suivants :
1. la puissance thermique à transporter et le type de source de chaleur
2. le type de dissipation de la chaleur (dissipateur thermique)
3. le contact avec le composant de puissance
4. la position et l’emplacement du caloduc

En outre, il y a bien sûr les conditions cadres habituelles liées au projet, telles que les spécifications budgétaires (design-to-cost), la fabricabilité (design-to-manufacture) et la quantité de production de votre projet.
Afin de trouver la solution optimale de conduction thermique pour votre projet, en tenant compte de tous les facteurs, il est essentiel de procéder de manière systématique : En effet, la gestion de la chaleur ne se résume pas à un seul caloduc, mais nécessite un système complet dans lequel chaque détail est juste.

Par conséquent, tous les modules de caloducs susmentionnés peuvent être combinés individuellement. Dans notre gamme, vous trouverez également des matériaux de conduction thermique pour les compléter, comme les feuilles de conduction thermique pour des lignes de collage minimales, qui optimisent le contact.
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